Java版的7种单例模式

前言

宗介-波妞

今天看到某一篇文章的一句话 单例DCL 前面加 V 。就这句话让我把 单例模式 又仔细看了一遍。

Java 中的 单例模式 是我们一直且经常使用的设计模式之一,大家都很熟悉,所以这篇文章仅仅做我自己记忆。

单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。

单例模式 涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

  • 单例类只能有一个实例。
  • 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  • 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

Java版七种单例模式写法

一:懒汉,线程不安全

这种写法lazy loading很明显,但是致命的是在多线程不能正常工作。

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public class Singleton{
private static Singleton instance;
private Singleton(){};
public static Singleton getInstance(){
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

二:懒汉,线程安全

这种写法能够在多线程中很好的工作,而且看起来它也具备很好的lazy loading,但是,遗憾的是,效率很低,99%情况下不需要同步。

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public class Singleton{
private static Singleton instance;
private Singleton(){};
public static synchronized Singleton getInstance(){
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

三:饿汉

这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题,不过,instance在类装载时就实例化,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用getInstance方法, 但是也不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法)导致类装载,这时候初始化instance显然没有达到lazy loading的效果。

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public class Singleton{
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton(){};
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}
}

四:饿汉,变种

表面上看起来差别挺大,其实更第三种方式差不多,都是在类初始化即实例化instance。

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public class Singleton{
private static Singleton instance = null;
private Singleton(){};
static {
instance = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}
}

五:静态内部类

这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程,它跟第三种和第四种方式不同的是(很细微的差别):第三种和第四种方式是只要Singleton类被装载了,那么instance就会被实例化(没有达到lazy loading效果),而这种方式是Singleton类被装载了,instance不一定被初始化。因为SingletonHolder类没有被主动使用,只有显示通过调用getInstance方法时,才会显示装载SingletonHolder类,从而实例化instance。想象一下,如果实例化instance很消耗资源,我想让他延迟加载,另外一方面,我不希望在Singleton类加载时就实例化,因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候,这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。

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public class Singleton{
private static class SingletonHolder{
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton(){};
public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

似乎静态内部类看起来已经是最完美的方法了,其实不是,可能还存在反射攻击或者反序列化攻击。且看如下代码:

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public static void main(String[] args) throws Exception {
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
Constructor<Singleton> constructor = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
Singleton newSingleton = constructor.newInstance();
System.out.println(singleton == newSingleton);
}

六:枚举

这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式,最佳的单例实现模式就是枚举模式。利用枚举的特性,让JVM来帮我们保证线程安全和单一实例的问题,而且还能防止反序列化重新创建新的对象。除此之外,写法还特别简单。

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public enum Singleton {
INSTANCE;
public void get() {
System.out.println("");
}
}

通过反编译我们看到,枚举是在 static 块中进行的对象的创建。

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public final class com.loadclass.test.Singleton extends java.lang.Enum<com.loadclass.test.Singleton> {
public static final com.loadclass.test.Singleton INSTANCE;

public static com.loadclass.test.Singleton[] values();
Code:
0: getstatic #1 // Field $VALUES:[Lcom/loadclass/test/Singleton;
3: invokevirtual #2 // Method "[Lcom/loadclass/test/Singleton;".clone:()Ljava/lang/Object;
6: checkcast #3 // class "[Lcom/loadclass/test/Singleton;"
9: areturn

public static com.loadclass.test.Singleton valueOf(java.lang.String);
Code:
0: ldc #4 // class com/loadclass/test/Singleton
2: aload_0
3: invokestatic #5 // Method java/lang/Enum.valueOf:(Ljava/lang/Class;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Enum;
6: checkcast #4 // class com/loadclass/test/Singleton
9: areturn

public void get();
Code:
0: getstatic #7 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #8 // String
5: invokevirtual #9 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return

static {};
Code:
0: new #4 // class com/loadclass/test/Singleton
3: dup
4: ldc #10 // String INSTANCE
6: iconst_0
7: invokespecial #11 // Method "<init>":(Ljava/lang/String;I)V
10: putstatic #12 // Field INSTANCE:Lcom/loadclass/test/Singleton;
13: iconst_1
14: anewarray #4 // class com/loadclass/test/Singleton
17: dup
18: iconst_0
19: getstatic #12 // Field INSTANCE:Lcom/loadclass/test/Singleton;
22: aastore
23: putstatic #1 // Field $VALUES:[Lcom/loadclass/test/Singleton;
26: return
}

七:双重校验锁( DCL:double-checked locking)

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public class Singleton {
// jdk1.6及之后,只要定义为private volatile static SingleTon instance 就可解决DCL失效问题。
// volatile确保instance每次均在主内存中读取,这样虽然会牺牲一点效率,但也无伤大雅。
// volatile可以保证即使java虚拟机对代码执行了指令重排序,也会保证它的正确性。
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton(){};
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}

DCL及解决办法&说明:

针对延迟加载法的同步实现所产生的性能低的问题,可以采用DCL,即双重检查加锁(Double Check Lock)的方法来避免每次调用getInstance()方法时都同步。

Double-Checked Locking看起来是非常完美的。但是很遗憾,根据Java的语言规范,上面的代码是不可靠的。
出现上述问题, 最重要的2个原因如下:

  • 编译器优化了程序指令, 以加快cpu处理速度.
  • 多核cpu动态调整指令顺序, 以加快并行运算能力.

问题出现的顺序:

  • 线程A, 发现对象未实例化, 准备开始实例化
  • 由于编译器优化了程序指令, 允许对象在构造函数未调用完前, 将共享变量的引用指向部分构造的对象, 虽然对象未完全实例化, 但已经不为null了.
  • 线程B, 发现部分构造的对象已不是null, 则直接返回了该对象.

解决办法:
可以将instance声明为volatile,即 private volatile static Singleton instance
在线程B读一个volatile变量后,线程A在写这个volatile变量之前,所有可见的共享变量的值都将立即变得对线程B可见。

总结:

  • 如果单例由不同的类装载器装入,那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取,例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类 装载器,这样的话如果有两个servlet访问一个单例类,它们就都会有各自的实例。
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private static Class getClass(String classname) throws ClassNotFoundException {
ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
if (classLoader == null) {
classLoader = Singleton.class.getClassLoader();
}
return (classLoader.loadClass(classname));
}
  • 如果Singleton实现了java.io.Serializable接口,那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样,如果你序列化一个单例类的对象,接下来复原多个那个对象,那你就会有多个单例类的实例。
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public class Singleton implements Serializable {
public static Singleton INSTANCE = new Singleton();
private Singleton(){}
//ObjectInputStream.readObject调用
private Object readResolve() {
return INSTANCE;
}
}

文章到这里就全部讲述完啦,若有其他需要交流的可以留言哦~!~!

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文章目录
  1. 1. 前言
    1. 1.1. Java版七种单例模式写法
    2. 1.2. 一:懒汉,线程不安全
    3. 1.3. 二:懒汉,线程安全
    4. 1.4. 三:饿汉
    5. 1.5. 四:饿汉,变种
    6. 1.6. 五:静态内部类
    7. 1.7. 六:枚举
    8. 1.8. 七:双重校验锁( DCL:double-checked locking)
      1. 1.8.1. DCL及解决办法&说明:
  2. 2. 总结:
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